Investigation of Responsive Characteristics of Photosynthetic Cells to Environmental Stimuli by Using On-chip Local Environmental Control
| Project/Area Number |
21H04543
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
新井 史人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90221051)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉浦 広峻 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10844805)
魚住 信之 東北大学, 工学研究科, 教授 (40223515)
丸山 央峰 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60377843)
金子 真 名城大学, 理工学部, 教授 (70224607)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000)
Fiscal Year 2023: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000)
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 超精密計測 / マイクロ流体チップ / ナノバイオ / 機械力学・制御 |
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| Outline of Research at the Start |
マイクロ流体チップとロボットシステムを統合し，光合成モデル細胞である藍藻に対して，外部刺激となるpLオーダーの微小液滴を，msオーダーの短時間で反応させる局所環境を構築し，これに応答する細胞特性の動的変化を単一細胞レベルで計測する．この計測系において，特定のイオン輸送体の遺伝子を欠損した遺伝子不活化株と正常株の比較を行い，特定のイオン輸送体の特性を調べる．オンチップでの局所環境状態の計測制御技術，単一細胞計測技術，動的力センシングシステム理論などを確立し，これらを活用することで，藍藻の外部刺激に対する動的応答特性を明らかにし，その仕組みを解明する．さらに，藍藻以外の単一細胞に拡張する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
藍藻の生体膜で機能するイオン輸送体による環境適応能力を調査する目的を達成するため，浸透圧の変化の前後での細胞応答計測を動的に行う２通りの方法で細胞計測を行った．
(1) 方法１：マイクロ流体チップ内の気液界面を使って，微小な液滴を10 ms以下の短時間で置換し，細胞に浸透圧変化などの外部刺激を与え，細胞の大きさ変化を高速ビションによって，ハイスループットに計測し，得られる画像データを自動的に処理し，評価する．
(2) 方法２：マイクロ流体チップ上の細胞をマイクロプローブによって拘束し，超高分解能を有するピペットを用いて溶液を高速に吸引吐出制御することによって，msオーダーの短時間で外部刺激を与える．マイクロプローブによって，細胞の機械特性を計測する．
どちらの方法も異なる特色を有するが，より安定して計測データを得るために，システムの改良と各計測機能の統合実装を行った．方法１では，細胞変化を画像計測することで膜透過率を算出した．方法２では，細胞への刺激を動的かつ精密に制御し，正常株(野生株)や異なる遺伝子不活化株を比較し，浸透圧変化に対する変形時の力計測の変化から，藍藻の生体膜で機能するイオン輸送体による環境適応能力を調査した．
総括して，以下の成果を得た．A． 微細加工・システム構築：オンチップロボットおよびマイクロ流体チップを改良し，細胞サイズの自動計測アルゴリズムを改良した．B. 動的機械特性計測：藍藻の生死判別に基づき，大きさ変化や弾性計測を実現した．C． 環境制御・計測：微小液滴内，チップ内の濃度制御技術を確立した．また，流体制御系の安定性を向上し，測定レンジの調整，力センサのキャリブレーションを行った．D. 細胞計測・評価・機能解析：藍藻の生体膜で機能する輸送体の遺伝子の不活化株を相同的遺伝子組換え技術によって作成し，動的な浸透圧変化の前後で，藍藻の力学的特性計測と評価を行った．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(4 results)
Research Products
(15 results)
